|
در حالی که تصور می شود که اکثریت کربن در نشاسته در مسیر هیدرولیتیک استفاده می شود، مسیر فسفورولیتیک ممکن است به خصوص در طول دوره نور (شکل 2) مهم باشد. در گیاهان C3, محصولات تجزیه نشاسته فسفورولیتیک از کلروپلاست صادر نمی شوند, چرا که حمل و نقل کننده های پوش گلوکز-6-فسفات (GPTs) در بافت فتوسنتزی بالغ بیان نمی شوند. دو GPT در Arabidopsis وجود دارند، اما بیان اینها به طور معمول به بافت هتروتروف محصور می شود (Kammere و همکاران، 1998؛. Niewiadomski و همکاران، 2005). جهش پوچ آرابیدوپسیس در فسفوریلاز نشاسته در رشد گیاه اثر نمی گذارد و تقریبا هیچ تاثیری بر تخریب نشاسته مشاهده نمی شود (Zeeman و همکاران، 2004). تصور می شود که تخریب نشاسته فسفورولیتیک در گیاهان C3 برای سوخت و ساز کلروپلاست داخلی مانند فسفات اکسیداتیو پنتوز، اسید شیکمیک، و یا مسیر متیل لیرتریتول استفاده می شود (Stitt و Rees, 1979; Weise et al., و همکاران، 2006). با این وجود، فقدان یک فنوتیپ آشکار در پلاستیدیک جهش نشاسته فسفوریلاز باعث درک سخت اهمیت این مسیر، حداقل در شرایط رشد استاندارد آزمایشگاهی می شود.
سوخت و ساز نشاسته انتقالی در CAM
گیاهان انجام دهنده CAM, CO2 را در شب می گیرند آن را برای اسید مالیک تثبیت می نمایند. در طول روز که گرم است و شیب برگ به هوا برای از دست دادن بخار آب بالاتر است، گیاهان CAM, روزنه خود را بسته نگه می دارد و CO2 و پیروات توسط دکربوکسیلاسیون اسید مالیک توسط NADP + آنزیم مالیک تولید می شوند. سپس این CO2 توسط روبیسکو در چرخه بنسون-کالوین تثبیت می شود.
یکی از مشخص های CAM, تغییر روزانه بزرگ در نشاسته انتقالی و اسید مالیک است (Pucher et al., 1947; Black and Osmond, 2003). همچنین گیاهان CAM وجود دارند که نشاندهنده تغییر کوچک در محتوای نشاسته است، چرا که آنها کربوهیدرات های کاهش یافته را در واکوئل در قالب هگزوز، علاوه بر نشاسته ذخیره می کنند (Kenyon et al., 1985; Christopher and Holtum, 1998; Borland et al., 2009). هر دوی نشاسته و هگزوز واکوئلی به فسفونوفیرووات (PEP) در شب (Christopher و Holtum، 1996) تبدیل می شوند. بنابراین نشاسته انتقالی در گیاهان CAM دارای نقش افزوده ارائه PEP مولکول سه کربنی پذیرنده CO2 (از طریق گلیکولیز) است، علاوه بر نقش ها در گیاهان C3 سرریز کربن و عرضه کربن در شب (Stitt و AP Rees، 1979 Fondy and Geiger, 1982 ، 1982). در شب، PEP (توسط کربوکسیلاز PEP) با استفاده از بی کربنات واردشده به صورت CO2 از طریق روزنه باز کربوکسیله می شود، که اگزالواستات چهار کربن را تشکیل می دهد. اگزالواستات به مالات کاهش می یابد، و اسید مالیک در واکوئل ذخیره می شود. در طول روز, مالات دوباره سیار می شود و تبدیل به پیروات می شود که CO2 را آزاد می کند. پیروات برای بازسازی نشاسته استفاده می شود.
این گیاه یخ Mesembryanthemum crystallinum, یک گیاه CAM گوناگون تغییریافته از C3 به CAM تنش خشکی و یا تنش شوری است. در حالت CAM، نوسان در سطح نشاسته بین روز و شب 20٪ بیشتر از حالت C3 است (Dodd و همکاران، 2003). از آنجا که نشاسته انتقالی برای CAM در کارخانه یخ حیاتی است، غیر فعال سازی سنتز نشاسته توسط جهش در نتایج phosphoglucomutase کلروپلاستی به عدم توانایی در کار در حالت CAM منجر می شود (Cushman و همکاران، 2008a). تغذیه گلوکز به این جهش ها, اسیدی شدن شبانه را دوباره بازسازی نمود. این آزمایش ها ثابت می کنند که نشاسته, بستری را برای سنتز اسید مالیک فراهم می کند. به طور جالب توجهی، مسیر سوخت و ساز تخریب نشاسته زمانی تغییر می کند که گیاه یخ از C3 به CAM تعویض می شود. زمانی که تحت سوخت و ساز C3 قرار می گیرد، نشاسته برگ به مالتوز تخریب می شود و از کلروپلاست با هگزوز فسفات کم صادر می شود. با این حال، پس از به CAM، صادرات از مالتوز به گلوکز-6-فسفات تعویض می شود که نشان دهنده القای مسیر فسفورولیتیک (شکل 3) (Neuhaus and Schulte, 1996) است.
رونوشتها برای هر دو فسفوریلاز نشاسته و حمل و نقل هگزوز فسفات, 14- و 71 برابر، به ترتیب افزایش می یابند، زمانی که گیاهان یخ از C3 به CAM تبدیل می شوند (Cushman و همکاران، 2008b). علاوه بر افزایش رونوشت های B-آمیلاز، یک افزایش 8 برابر در یک آمیلاز متنی وجود دارد, زمانی که گیاه یخ در حالت CAM است (Cushman و همکاران، 2008b). مشخص شده است که در صورت وجود، نقش مهمی در تخریب نشاسته انتقالی در گیاهان C3 آرابیدوپسیس دارد (یو و همکاران، 2005). با این حال، در گیاهان CAM، A-آمیلاز می تواند برای افزایش نرخ کلی تخریب نشاسته به کار گرفته شود یا ممکن است لایه های زنجیره ای گلوکان دیگر را فراهم کند که بیشتر متمایل به تخریب توسط فسفوریلاز نشاسته پلاستیدیک هستند (Shimomuraو همکاران، 1982). کار با گیاه یخ نشان دهنده یک تعویض از سوخت و ساز نشاسته انتقالی هیدرولیتیک به فسفورولیتیک و بیان GPTهاست (شکل 4). این تعویض, از هیچ ژن منحصر به فرد برای گیاهان CAM استفاده نمی کند، بلکه تغییر در سطح بیان، زمانبندی و محل ژن ها در پروتئین های مورد نیاز برای تخریب نشاسته که قبلاً در گیاهان C3 وجود داشته باشند, وجود دارد. تعویض به صادرات فسفات هگزوز در شب دارای مزیت روی صادرات مالتوز یا قند است که در آن هزینه ATP با تبدیل نشاسته به PEP کاهش می یابد که موجب تبدیل نشاسته به مالات می شود که یک منبع خالص یک ATP در هر دو مولکول مالات (شکل 5) است.
نسبت کربن بیرون آمده از کلروپلاست crystalinum Mesembryanthemum جدا شده از گیاهان عامل در حالت C3 (میله خاکستری روشن) و یا در حالت CAM (میله های سیاه) آینده. DHAP، دیهیدروکسی استون فسفات؛ PGA، 3-phosphoglycerate. داده های دوباره از Neuhaus and Schulte (1996). ترسیم شده اند.
صادرات فسفات هگزوز از کلروپلاست گیاه یخ با CAM مرتبط است که نیازمند سوخت و ساز نشاسته موقتی است. معلوم نیست که چرا صادرات فسفات هگزوز از کلروپلاست در شب در گیاهان C3 دیده نمی شود. احتمالا برخی از هزینه ها برای صادرات فسفات هگزوز وجود دارد، شاید از نظر کنترل سوخت و ساز، اما هزینه صادرات هگزوز فسفات ناشناخته است. می توان حدس زد که کنترل نظارتی چرخه بنسون-کالوین در صورتی به خطر بیافتد که فسفات های هگزوز, کلروپلاست را در طول روز ترک می کنند. شاید میزان کلی پایین تر فتوسنتز مشاهده شده در بسیاری از گیاهان CAM (Osmond و همکاران، 1982) همراه با فشارهای انتخابی زیست محیطی می تواند چنین مسائل تنظیمی را جبران کند.
سوخت و ساز نشاسته انتقالی در C4
مسیر سوخت و ساز C4 برای جذب CO2 تقریباً با مسیر سوخت و ساز CAM یکسان است, به جز این که جذب CO2 و ثبات در گونه های C4 در فضا جدا هستند و نه زمان. از آنجا که PEP سه کربنی پذیرنده CO2 در طول روز تولید می شود، تثبیت CO2 به سوخت و ساز نشاسته همانند CAM گره نخورده است. تصور می شود که سوخت و ساز نشاسته انتقالی در گیاهان C4 به شیوه ای مشابه با C3 عمل نماید، اما به دلیل مطالعات بسیار کم آنزیمی، و یا مطالعات ژنتیک که در مورد سوخت و ساز نشاسته C4 انجام شده است، دانش ما از سوخت و ساز نشاسته انتقالی در C4 وجود ندارد. با این حال، تجزیه و تحلیل پروتئوم اخیر کلروپلاست های جدا شده از سلول های غلاف ذرت بسته شده متفاوت و مزوفیل سلول، و همچنین تجزیه و تحلیل پروتئوم برگ و شیب رشد بسته بخش غلاف همراه برگ ذرت, یک دید کلی کمی و کیفی از الگوهای انباشت آنزیم نشاسته سوخت و ساز را ارائه کرده است (Majeran و همکاران، 2005، 2010؛ Friso و همکاران، 2010). علاوه بر این، مطالعات میکروسکوپی الکترون گسترده از توسعه برگ ذرت در آغاز و پایان دوره نور, بینش بیشتری به تجمع گرانول های نشاسته را فراهم کرده است (Majeran و همکاران، 2010). این مطالعات اخیر، همراه با چند مشاهدات قبلی (Spilatro و Preiss، 1987؛. Voznesenskaya و همکاران، 1999، 2005)، به وضوح نشان می دهند که اکثر آنزیم ها در متابولیسم نشاسته، و همچنین دانه های نشاسته، ترجیحاً در کلروپلاست سلول غلاف در بافت فتوسنتزی بالغ در گیاهان C4 جمع آوری می شوند.
الگوی تجمع نشاسته در منطقه انتقال منبع –سینک که در آن سلول ها, تمایز C4 و رشد خود را به اتمام نرسانده اند متفاوت است. در اینجا نشاسته انتقالی در هر دو سلول مزوفیل, حتی با مصادیر بالاتر نشاسته در کلروپلاست های سلول مزوفیل نسبت به کلروپلاست های سلول بسته غلاف تجمع می یابد (Majeran و همکاران، 2010). ژن SEX1 در آرابیدوپسیس C3, یک GWD را کدگذاری می کند و برای تخریب نشاسته انتقالی لازم است (KOtting و همکاران، 2005). بیان کاهش یافته همولوگ ذرت SEX1 کاهش یافته از طریق تداخل RNA (RNAi) به سطوح نشاسته برگ منجر می شود که چهار برابر بیشتر از سطوح خط کنترل مربوطه هستند؛ نشاسته در سلول های بسته غلاف مشابه برای کنترل گیاهان (شکل 6) واقع شد.
تبدیل نشاسته به فسفونوفیرووات (PEP) در شب و سوخت و ساز پس از آن برای مالات. این مسیر منجر به بهره خالص یک ATP در شب می شود. صادرات G6P اجازه می دهد تا تمام تولید و مصرف ATP و NADPH در سیتوزول رخ می دهد. اگر فسفات های تریوز صادر شوند، ATP در داخل کلروپلاست مورد نیاز است اما در خارج از کلروپلاست تولید می شود.
مقطعی از یک برگ ذرت لکه دار شده با IKI نشاندهنده تجمع نشاسته در سلول های غلاف بسته, فقط در این گیاه که در آن RNAi, GWD را کاهش می دهد. برگ برای تثبیت در ساعت 11:00 AM (SEW و TDS، منتشر نشده) گرفته شد.
سنتز نشاسته در همان سلول به صورت تثبیت CO2 توسط روبیسکو رخ نمی دهد. در مورد Aristrida با آناتومی Kranz تغییریافته حاوی دو لایه از سلول های بسته غلاف، نشاسته تا حد زیادی به سلول های بسته غلاف خارجی محدود می شود در حالی که بیشتر روبیسکو در سلول های بسته غلاف درونی است (Voznesenskaya و همکاران، 2005). گزارشات متعددی از تجمع نشاسته برگ ذرت در پاسخ به تغییرات در صادرات کربوهیدرات رخ داده است. نمونه های آن, جهش sxd1 با پلاسمودسماهای مسدود شده هستند که منجر به حمل و نقل ساکارز مختل شده می شوند (Russin و همکاران، 1996). در جهش tdy1، TDY1 کدگذار یک پروتئین ناشناخته لازم برای بارگیری بافت لیفی (Ma و همکاران، 2009)، مختل شد و جهش sut1 فاقد بیان SUT1 کدگذاری یک حمل و نقل کننده ساکارز لازم برای بارگیری بافت لیفی بود (Slewinski و همکاران، 2009). هر کدام از این جهش ها دارای یک فنوتیپ کوتوله است و مناطق برگ که در آن انتقال کربوهیدرات تغییرمی کند, کلروتیک هستند یا سطوح بالایی از آنتوسیانین ها را جمع می کنند. یک فنوتیپ تقریباً یکسان می تواند با برگ های نوع وحشی کمربند-سرد تولید شود که حمل و نقل بافت لیفی به خارج از برگ (Slewinski و همکاران، 2009) را مسدود می کند. در تمام موارد، سطوح نشاسته بالا در هر دو سلول غلاف بسته و سلول های مزوفیل مشاهده می شوند که نشان می دهد که آنزیم های نشاسته سوخت و ساز را می توان در هر دو نوع سلول بیان کرد، اما در گیاهان ذرت “طبیعی” کنترل شده متفاوت است.
یک درک بهتر از بیان سلول نوع-خاص، تجمع، و تنظیم آنزیم های متابولیک نشاسته که در هنگام مهندسی فتوسنتز C4 در یک گیاه C3 مانند برنج، برای اطمینان از یک سیستم نشاسته سوخت و ساز C3 سازگار با سیستم C4 فتوسنتز مورد نیاز است. دو احتمال می تواند در مورد ارتباط بین فتوسنتز، عملکرد، و نشاسته در هنگام تبدیل یک گیاه C3 به C4 پیش بینی شود. از آنجا که بسیاری از گیاهان C4 دارای نرخ فتوسنتز بالاتر از گیاهان C3 هستند، نشاسته می تواند یک نقش حیاتی به عنوان یک مکانیسم جریان بیش از حد برای کمک به جلوگیری از محدودیت تریوز فسفات بازی کند که در نتیجه ادامه فتوسنتز را سریع تر از سنتز ساکارز و صادرات آن موجب می شود. بنابراین، مهندسی یک افزایش ظرفیت برای سوخت و ساز نشاسته ممکن است عاقلانه باشد یا پتانسیل کامل فتوسنتز C4 ممکن است تحقق نیابد. از سوی دیگر، گیاهان C4 به طور کلی برای صادرات شکر و حمل و نقل, در مقایسه با گیاهان C3 ظرفیت بالاتری دارند (Leonardos و Grodzinski، 2000). از آن مهمتر، سنتز ساکارز در مزوفیل، به جای غلاف بسته، یک مکانیسم اضافی برای جلوگیری از بازخورد منفی در مراحل بسته غلاف-موضعی چرخه بنسون-کالوین (Majeran و همکاران، 2010) فراهم می کند. بنابراین، نشاسته می تواند یک نقش جزئی بیشتر برای حمایت از تنفس در شب و دیگر فعالیت های مدیریت داخلی متابولیک بازی کنند. در این سناریو, تنظیم متابولیسم نشاسته و تغییر فعالیت سلول های خاص از سنتز ساکارز در هنگام تعویض از سوخت و ساز C3 به C4 ممکن است لازم باشد.
|